本文關(guān)鍵詞：銅基微納結(jié)構(gòu)表面液滴鋪展及流動沸騰換熱特性研究

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【摘要】：微納結(jié)構(gòu)熱功能表面是一種強化傳熱傳質(zhì)的特殊功能表面。利用各種表面加工技術(shù)獲得的特定的微納結(jié)構(gòu),也會對表面的潤濕性產(chǎn)生重要影響。本文利用激光燒蝕和氧化還原相結(jié)合的方式,制備了具有微納結(jié)構(gòu)的超親水表面,應(yīng)用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對比研究了液滴撞擊光滑表面和微納超親水表面的形態(tài)變化過程及液滴內(nèi)部流場變化,并利用自行搭建的過冷流動沸騰試驗臺研究了微納結(jié)構(gòu)和表面潤濕性對沸騰換熱性能的影響。首先選取紫銅為基體材料,采用不同目數(shù)的砂紙對其進行打磨、金相試樣拋光機結(jié)合金剛石研磨膏拋光表面,制備了具有鏡面效果的光滑表面試驗樣件,其表面接觸角為65°。采用激光燒蝕方法獲得了接觸角為19°的微結(jié)構(gòu)表面,在此基礎(chǔ)上,進一步利用氧化還原反應(yīng)得到了微納結(jié)構(gòu)超親水表面,并利用Wenzel模型對其超親水特性進行了分析。采用兩臺高速攝像機分別從俯視和側(cè)視兩個角度,記錄了不同We數(shù)下,液滴撞擊光滑表面和微納結(jié)構(gòu)表面的鋪展過程中的形態(tài)演變過程,并利用L9(21×33)混合正交試驗分析了不同微納結(jié)構(gòu)對表面鋪展特性的影響。研究結(jié)果表明:液滴撞擊光滑表面和微納結(jié)構(gòu)表面表現(xiàn)出不同的形態(tài)及鋪展特性。液滴撞擊光滑表面后快速鋪展,其三相接觸線在達到最大直徑后開始回縮,在回縮過程中液滴出現(xiàn)明顯的振蕩松弛過程,經(jīng)較多次振蕩回縮后液滴以球冠狀保持穩(wěn)定狀態(tài)。液滴撞擊微納結(jié)構(gòu)超親水表面后三相接觸線持續(xù)向外鋪展,而只有中心位置的液體會在表面張力的作用下發(fā)生極少次的回縮振蕩。在鋪展初期,低We數(shù)下,光滑表面的液滴鋪展直徑大于微納結(jié)構(gòu)表面,而高We數(shù)下,微納結(jié)構(gòu)表面的液滴鋪展直徑一直大于光滑表面。對9個表面的鋪展性能進行極差分析發(fā)現(xiàn),影響表面鋪展性能的主次因素依次為:微結(jié)構(gòu)形狀、氧化還原反應(yīng)時間、微結(jié)構(gòu)尺寸、微結(jié)構(gòu)間距�；赩OF方法,對液滴撞擊光滑表面和微納結(jié)構(gòu)表面的形變、氣液界面的速度分布、中心截面的輪廓形變過程以及不同截面內(nèi)的速度分布進行了數(shù)值模擬分析。液滴撞擊表面后最大速度出現(xiàn)在中心位置液體與液膜連接處,且速度從此處沿徑向逐漸減小。液滴在微納結(jié)構(gòu)表面的鋪展速度大于在光滑表面的鋪展速度。在微納結(jié)構(gòu)表面由于微方柱的矩形陣列,液滴在鋪展過程中呈現(xiàn)出與光滑表面不同的形狀變化。液滴撞擊微納結(jié)構(gòu)表面不同截面的速度分布沒有表現(xiàn)出明顯差異,其原因是由于微結(jié)構(gòu)的高度太小,所以在垂直方向沒有對速度場產(chǎn)生明顯影響。采用自行搭建的過冷流動沸騰試驗臺對9個表面進行了強化換熱性能研究,并應(yīng)用極差分析得出了影響強化換熱性能的主次因素和最優(yōu)組合。結(jié)果表明:9個微納結(jié)構(gòu)表面的換熱性能都優(yōu)于光滑表面。在四個因素中,微結(jié)構(gòu)的形狀對強化沸騰換熱的影響最大,其次為微結(jié)構(gòu)尺寸、微結(jié)構(gòu)間距以及氧化還原反應(yīng)時間。微納結(jié)構(gòu)表面強化沸騰換熱的原因可表述為:微納結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了表面的換熱面積;微納結(jié)構(gòu)表面相比光滑表面氣泡的成核密度減小,脫離直徑也減小,但氣泡的脫離頻率較高。9個微納結(jié)構(gòu)表面相比光滑表面呈現(xiàn)出更加親水的特性,說明在本文所設(shè)工況下,表面潤濕性的增加對表面的沸騰換熱性能起到強化作用。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB306

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本文編號：1282754